Jari Kaarela ROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTON VAIHEET ROBOTISOIDUSSA OHUTLEVYN SÄRMÄYKSESSÄ

Jari Kaarela ROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTON VAIHEET ROBOTISOIDUSSA OHUTLEVYN SÄRMÄYKSESSÄ Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ylempi ammattikorkeakoulututkinto Teknologiaosaamisen johtaminen koulutusohjelma Toukokuu 2007

KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Teknologiaosaamisen johtaminen - koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työntekijä: Jari Kaarela Työn nimi: Robotin etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä Päivämäärä: 12.05.2007 Sivumäärä 74 Työnohjaajat: Eero Pikkarainen, Pekka Nokso-Koivisto, Sakari Pieskä, Jari Savukoski Työn tavoitteina oli kuvata graafisen etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet Mecanova Oy:n robottisärmäyssovelluksessa, ratkaista käyttöönotossa esiin tulleita ongelmia sekä kehittää käyttöönotossa sovellettuja menetelmiä ja varsinaista etäohjelmoinnin särmäyssovellusta. Työn teoriaosuus käsitteli robotiikan yleisiä kehitysnäkymiä ja teollisuusrobottien ohjelmointimenetelmiä sekä niiden kehitysvaiheita. Etäohjelmointiin kiinteästi liittyvää simulointia ja sen määritelmää käytiin myöskin läpi käsitteiden selventämiseksi. Teoriaosuudessa perehdyttiin työssä käytetyn IGRIP UltraArc etäohjelmointiohjelmiston yleisiin ominaisuuksiin. Etäohjelmointimallin kalibrointi on menetelmän käytettävyyden kannalta yksi tärkeimmistä tekijöistä, tästä syystä työssä painottuikin kalibroinnin aihealueen käsittely. Käytännön osuudessa käytiin läpi etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet yhden robottisärmäyssolun osalta aina solun laitteiden mallintamisesta valmiin robottiohjelman testaamiseen saakka. Käyttöönoton aikana kehitettiin etäohjelmoinnin robottisärmäyssovellusta, kalibrointimenetelmää sekä rakennettujen mallien käyttöä robottisolujen uudelleen asennuksen yhteydessä. Työssä käytettiin tutkimusmenetelminä toimintatutkimusta ja tapaustutkimusta. Saatujen kokemusten perusteella etäohjelmoinnin käyttöönottoprojekti vaatii onnistuakseen tehtävään sitoutuneilta henkilöiltä pitkäjänteistä ja päämäärätietoista työtä. Etäohjelmointi on varsin käyttökelpoinen työkalu robottisärmäyksessä ja sillä saavutetaan paljon muitakin merkittäviä etuja kuin pelkästään robotin etänä tapahtuvan ohjelmoinnin tuomat edut. Avainsanat: Etäohjelmointi, kalibrointi, IGRIP

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENSES Master s Degree for Technology Competence Management ABSTRACT Author: Jari Kaarela Name of thesis: Off-line programming implementation process in robotic press brake cells Date: 12.05.2007 Pages 74 Supervisors: Eero Pikkarainen, Pekka Nokso-Koivisto, Sakari Pieskä, Jari Savukoski The aim of this thesis was to introduce implementation process of graphical off-line programming in Mecanova company s robotic press brake cells, solving problems during implementation process, developing methods of implementation process and bending applications. The theoretical part of the work deals with the future of robotics, programming methods of industrial robots and steps in developing them. IGRIP UltraArc simulation program is the main tool of this work. This program s typical features are presented in the theoretical part of this work. The simulation model s calibration is a very important factor for this models usability. Because of this, the theoretical part of the work emphasizes the simulation models calibration. The empirical part went through steps of implementation process for graphical off-line programming in one robotic press brake cells. This process covers steps from the modelling of devices to ready robot programs testing. During the implementation process bending applications and calibration methods were developed. Method s of research were action and case research. Off-line programming is a very useful tool in robotic press brake cells. Off-line programming can provide several benefits in addition to robot off-line programming and its benefits. Key words: Off-line programming, calibration, IGRIP

TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 1 2 TYÖN TAUSTAA 2 2.1 Työn määrittely ja aiheen rajaus 3 2.2 Mecanova Oy 5 2.3 Teoreettinen viitekehys 6 3 ROBOTIIKAN KEHITYSNÄKYMIÄ 8 3.1 Robotisointiasteen kehittyminen Suomessa 8 3.2 Robottien määrän kasvu maailmanlaajuisesti 9 3.3 Robotiikan tulevaisuuden näkymiä 9 4 TEOLLISUUSROBOTTIEN OHJELMOINTIMENETELMIÄ 12 4.1 Ohjelmointimenetelmien jakotapoja 12 4.2 Sähkömekaanisten kytkentöjen avulla toteutettu ohjelmointi 13 4.3 Johdattamalla ohjelmointi 13 4.4 Opettamalla ohjelmointi 14 4.5 Etäohjelmointi 15 4.6 Ohjelmointimenetelmien yhdistelmät 18 4.7 Robotin ohjaimeen integroidut CAR/CAD/CAM -toiminnot 19 5 JÄRJESTELMÄ, MALLI JA SIMULOINTI 22 5.1 Simuloinnin käyttökohteita 23 5.2 Robottisimulointiohjelmistoja 24 6 SIMULOINTIMALLIN KALIBROINTI 26 6.1 Robottisolun kalibroinnin osa-alueita 26 6.2 Kalibroinnissa käytettäviä laitteita 27 7 KALIBROINTI NIVELVARSIMITTALAITETTA KÄYTETTÄESSÄ 29 7.1 Kalibroinnin suunnittelu 29 7.2 Mittausdatan kerääminen 31 7.3 Robotin kalibrointi 33 7.4 Ulkoisten akseleiden kalibrointi 34 7.5 Työkalupisteen ja työkalun kalibrointi 35 7.6 Kalibrointituloksen tarkistaminen 36 7.7 Kalibroinnin kulun virtuaalisuunnittelu 37

8 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOA EDELTÄVIÄ VAIHEITA 40 8.1 Työn kohteen kuvaus ja työn eteneminen 40 8.2 Monitoimisolun esittely 41 8.3 Työssä käytetyn simulointiohjelmiston kuvaus 41 8.4 Robottisolun laitteiden mallintaminen 42 8.5 Robottisolun mallin kalibrointi 43 8.6 Kalibroinnin tarkistaminen 44 8.7 Tuotteen, särmäysterien ja tarttujan mallintaminen 44 8.8 I/O -määritysten mallintaminen 45 8.9 Etänä tehdyn robottiohjelman testaaminen 45 9 ETÄOHJELMOINNIN KÄYTTÖÖNOTTOPROJEKTI 46 9.1 Ohjelmiston asennus 47 9.2 Käytönopastus 48 9.3 Etäohjelmointimallin kalibrointi robottisolun siirron jälkeen 48 9.4 Paikoitustelineen kalibrointimenetelmän kehittäminen 50 9.5 Kalibroinnin tarkastus mittalaitetta käyttäen 51 10 SÄRMÄYSROBOTIN ETÄOHJELMOINNIN VAIHEET 54 10.1 Tyypillinen monitoimisolun robotin työkierto 54 10.2 Ohjelmointi toisen version makroja käyttäen 55 10.3 Testiajo tuotteella 61 11 ETÄOHJELMOINTIMALLIEN HYÖDYNTÄMINEN ROBOTTISOLUJEN SIIRTOTYÖN YHTEYDESSÄ 63 11.1 Robottisolujen siirtotyö 63 11.2 Siirrossa syntyneen poikkeaman analysointi 63 11.3 Siirrossa syntyneen poikkeaman ohjelmallinen korjaaminen 64 12 JOHTOPÄÄTÖKSET 65 12.1 Etäohjelmoinnin käytöllä saatavia etuja 66 12.2 Työn keskeisimpiä tuloksia 66 12.3 Jatkokehityssuunnitelmat 68 13 YHTEENVETO 70 LÄHTEET 72

1 1 JOHDANTO Etäohjelmoinnin käyttöönotto on yritykselle iso satsaus, johon liittyy myös omat riskinsä niin kuin yleensä kaikkeen toimintaan, jossa otetaan käyttöön uutta teknologiaa. Etäohjelmointia on sovellettu jo kohtalaisen kauan hitsausprosesseissa laiva- ja autoteollisuudessa mutta robotisoidussa särmäyksessä etäohjelmoinnin soveltajia on huomattavasti vähemmän. Tämä laajuus, jolla Mecanova on nyt ottamassa etäohjelmointia käyttöön, tekee yrityksestä menetelmän soveltajien uranuurtajan. Mecanova Oy on panostanut voimakkaasti tuotannon automatisointiin ja erityisesti robotiikan hyödyntämiseen. Yhtenä robotiikan sovelluskohteena on ollut jo pitkään ohutlevyjen särmääminen. Ohutlevytuotannossa roboteilla tehtävät vaiheet vaativat yleensä suuria sarjakokoja ollakseen kannattavia. Valmistettavien tuotteiden sarjakokojen pienentyminen ja samalla tuotteen muuttuminen särmäyksen kannalta alati haasteellisemmaksi asettaa paineita särmäysrobottien ohjelmointimenetelmien kehittämiseen (Kukkola, 2005). Lyhyissä sarjoissa tehtävien ja useasti muuttuvien tuotteiden kohdalla perinteisellä opettamismenetelmällä tapahtuva robottien ohjelmointi laskee robotin käyttösuhdetta huomattavasti. Robottien käyttösuhdetta voidaan kasvattaa käyttämällä mahdollisimman pitkälle menevää graafista etäohjelmointia, jolloin ohjelmoinnin ajan itse robotti voi tehdä tuottavaa työtä. Etäohjelmointia ja siihen kiinteästi liittyvää simulointia voidaan hyödyntää monella eri tavalla jo tuotteen suunnitteluvaiheessa.

2 2 TYÖN TAUSTAA Opinnäytetyön lähtökohtana toimii 2003-2005 Centria Tutkimus ja kehityksen toteuttama projekti, jossa rakennettiin kahdesta Mecanova Oy:n robottisärmäyssolusta etäohjelmointimallit IGRIP -ohjelmistolla. Toinen näistä mallinnetuista robottisoluista on monitoimisolu, jossa voidaan särmäyksen lisäksi tehdä myös robotisoitua kierreinserttien asennusta. Syksyllä 2005 alkoi huhtikuulle 2006 kestänyt Centria Tutkimus ja kehityksen toteuttama uusi projekti, jossa rakennettiin ja kalibroitiin edellisten lisäksi viisi kappaletta robottisärmäyssolujen malleja. Näiden esiselvitysprojektien myötä yritys sai tietoa etäohjelmoinnin vaatimuksista ja hyödyntämismahdollisuuksista omassa tuotannossaan. Alkukesästä 2006 yritys teki päätöksen etäohjelmoinnin käyttöönotosta ja ohjelmiston hankinnasta. Saman vuoden loppupuolella valmistui Mecanovan uusin tuotantotilojen laajennus. Mallinnetut ja kalibroidut robottisolut muutettiin tähän laajennusosaan vuoden 2007 alussa. Etäohjelmoinnin käyttöönottoa varten aloitettiin syksyllä 2006 projekti, jossa mallinnetut solut kalibroitiin muuton jälkeen uusiin paikkoihinsa. Projektin aikana otettiin käyttöön myös särmäysmakrojen uusimmat versiot ja suoritettiin etäohjelmoinnin käytönopastusta yrityksen etäohjelmointitehtävään valitsemille kahdelle henkilölle. Työn tekeminen aloitettiin syksyllä 2005 alkaneen projektin kanssa yhtä aikaa, jolloin siihen saatiin mukaan varsin kattavasti etäohjelmoinnin käyttöönoton eri vaiheet (kuvio 1).

3 Kahden ensimmäisen solun mallinnus ja kalibrointi Syksy Kevät 2003 2005 Päätös ohjelmiston hankinnasta ja Seuraavien viiden käyttöönotosta solun mallinnus ja kalibrointi Syksy 2005 Kevät 2006 Syksy 2006 Robottisolujen siirto, uudelleen kalibrointi, uudet makrot, ohjelmiston asennus, käytönopastus, testaukset Kevät 2007 Opinnäytetyö KUVIO 1. Etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet. 2.1 Työn määrittely ja aiheen rajaus Tässä työssä käydään läpi etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet yhden robottisärmäyssolun osalta aina solun laitteiden mallintamisesta valmiin robottiohjelman testaamiseen saakka. Tämän työn tutkimusongelmana on vastata kysymykseen Mitä vaiheita sisältyy robotin etäohjelmoinnin käyttöönottoon robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä?. Tämän yhden solun lisäksi olemassa olevien kuuden särmäyssolun etäohjelmointimallien rakentamista ja käyttöönottoa ei tässä työssä kuvata. Niiden osalta rakentamisen ja käyttöönoton vaiheet noudattaisivat hyvin pitkälti työssä läpikäydyn solun vastaavia vaiheita. Työssä ei tarkastella etäohjelmoinnin käyttöönottoa taloudellisten seikkojen näkökulmasta kuten kustannusten tai takaisinmaksuaikojen muodossa. Nämä seikat on rajattu työstä pois, koska etäohjelmoinnin käyttöönoton taloudellisten tulosten analysointi voidaan tehdä vasta kun menetelmää on käytetty yrityksessä riittävän kauan eli puolesta vuodesta vuoteen. Tämän käyttöajan jälkeen menetelmä ja sen vaatimat toimintatavat ovat integroituneet riittävän hyvin, jolloin voidaan vertailla vanhaa ja uutta menetelmää toisiinsa. Mikäli kustannusvaikutusten analysointi suoritettaisiin jo tässä vaiheessa käyttöönottoa, vääristyisi tilanne menetelmän uutuuden ja liian vähäisen tuotantokäytöstä kertyneen vertailutiedon vuoksi. Työn päätavoitteiden ohella työllä on tarkoituksena tiivistää edelleen olemassa olevaa yhteistyöverkostoa etäohjelmoinnin käyttöönottovaiheessa mukana olevien tahojen välillä. Tämän verkoston avulla on tarkoitus turvata etäohjelmointimenetelmän edelleen

kehittäminen, avun saaminen mahdollisissa ongelmatilanteissa sekä mallin päivitys- ja muutostöiden onnistuminen. 4 Työn teoriaosuudessa käydään läpi robotiikan yleisiä kehitysnäkymiä ja teollisuusrobottien ohjelmointimenetelmiä ja niiden kehitysvaiheita. Etäohjelmointiin kiinteästi liittyvää simulointia ja sen määritelmää käydään myöskin läpi käsitteiden selventämiseksi. Teoriaosuudessa perehdytään työssä käytetyn IGRIP -etäohjelmointiohjelmiston ja sen UltraArc -version yleisiin ominaisuuksiin. Etäohjelmointimallin kalibrointi on etäohjelmoinnin käytettävyyden kannalta yksi tärkeimmistä tekijöistä. Työn käytännön osa alkaa kappaleesta 7 kalibroinnin aihealueen käsittelyllä, jossa käydään kalibrointitapahtuman vaiheet läpi nivelvarsimittalaitetta käytettäessä. Työssä on käytetty tutkimusmenetelminä toimintatutkimusta ja tapaustutkimusta, eli Case - tutkimusta. Nämä tutkimusmenetelmät soveltuvat hyvin tällaiseen työhön, jossa kehitetään toimintaa ja tutkitaan varsin yksityiskohtaista tietoa. Kuviolla 2 pyritään selventämään työn aihealuetta ja työn rajausta. Työhön valitut aihealueet ovat kirjoitettu lihavoidulla sinisellä tekstillä.

5 ROBOTIIKAN ALUEITA palvelurobotit ROBOTIN OHJELMOINTI- mobiilirobotit MENETELMIÄ teollisuusrobotit opettamalla TEOLLISUUS ROBOTTIEN johdattamalla RAKENTEITA mallipohjainen scara etäohjelmointi rinnakkaisrakenne SIMULOINNIN KOHTEITA käsivarsi tehdassimulointi ROBOTIIKAN SOVELLUS- ihmismallit KOHTEITA robottisimulointi hitsaus etäohjelmointi maalaus kappaleenkäsittely ROBOTTISIMULOINTI pakkaus OHJELMISTOJA särmäys Robot Studio DTPS SÄRMÄYSKONEEN PALVELU IGRIP manuaalisesti KALIBROINTIMITTAUKSEN MENETELMIÄ robotilla robotti laser scanner MECANOVAN ROBOTTISÄRMÄYS nivelvarsimittalaite SOLUT Härmä Kecskemét (Unkari) Nivala solu 1 : solu 7 KUVIO 2. Työn aihealueen rajaus. 2.2 Mecanova Oy Mecanova Oy on perustettu Keski-Pohjanmaalla sijaitsevassa Nivalassa vuonna 1989. Perustamisvaiheessa yhtiön liikeideana oli vaativien ohutlevykomponenttien valmistus suomalaisen sähköteollisuuden tarpeisiin. (Mecanova Oy, 2006) Mecanova on suomalainen sopimusvalmistaja, jonka ydinosaamista ovat mekaniikan valmistus ja kokonaisvaltaisten mekaniikkaratkaisujen tuottaminen. Sen asiakkaat ovat elektroniikka- ja sähköteollisuuden johtavia laitevalmistajia, jotka arvostavat palvelun laatua ja kustannustehokkuutta. Vuonna 2006 Mecanovan liikevaihto oli noin 70 MEur, työntekijöitä konsernissa oli noin 500 henkilöä. Suurimpia asiakasryhmiä ovat tietoliikenteen, lääketieteen ja teollisuuden elektroniikkavalmistajat. Mecanova -konserniin kuuluu emoyhtiö Mecanova, osakkuusyhtiöt Sweco Mecaplan ja Hollmén sekä tytäryhtiöt Mecapinta ja Mecanom (kuvio 3). (Mecanova Oy, 2006.)

6 Mecanovalla on Nivalan toimipisteessä käytössä yhteensä 14 teollisuusrobottia särmäyksessä, hitsauksessa, kierteytyksessä ja senkkauksessa. Roboteista seitsemän on valjastettu särmäyspuristimen palveluun. KUVIO 3. Mecanova konsernin rakenne. (Mecanova Oy, 2006) 2.3 Teoreettinen viitekehys Robottisimuloinnin ja etäohjelmoinnin aihealueesta on tehty useita teoksia, joista osaa käytetään tässä työssä lähteinä. Etäohjelmoinnin käyttöönottoprosessista on sen sijaan vaikeampi löytää teoksia, joissa käydään läpi kaikki päävaiheet lähtien mallin rakentamisesta ja päätyen toimivaan robottiohjelmaan saakka. Tällä työllä pyritään osaltaan täydentämään tätä etäohjelmoinnin aihealueen tutkimuksellisessa kentässä olevaa aukkoa. Työssä käsitellään etäohjelmoinnin käyttöönottoa yrityksen näkökulmasta, eli pyritään selvittämään niitä asioita ja mahdollisia ongelmakohtia, joihin yritys törmää etäohjelmoinnin käyttöönottamisessa ja varsinaisessa etäohjelmoinnissa. Tutkimuksen kannalta olennaisia aihealueita ja niiden keskinäisiä suhteita pyritään selventämään kuviolla 4.

7 Kalibroinnin virtuaalisuunnittelu 3D- suunnittelu/ mallintaminen Ohjelmiston asennus ja käytön opastus Etäohjelmointimallin kalibrointi Etäohjelmointimallin rakentaminen Case MECANOVA GROUP Etäohjelmointimenetelmän kehittäminen Robotin etäohjelmoinnin käyttöönoton vaiheet robotisoidussa ohutlevyn särmäyksessä Yhteistyöverkoston kehittäminen Tuotteen mallinnus Tarttujan mallinnus Teollisuusrobotti/robotiikka käyttö ja ohjelmointi Robotisoitu särmäys Robotisoitu kappaleen käsittely Robottien etäohjelmointi Makro-ohjelmointi KUVIO 4. Työn teoreettinen viitekehys. Etäohjelmoinnin käyttöönoton tavoitteena on pienempien sarjakokojen kustannustehokas valmistus robotteja käyttäen. Etäohjelmoinnin käyttöönottoprosessi alkaa tyypillisesti mallin rakentamisella. Solussa olevien laitteiden 3D -mallit voidaan saada joissakin tapauksissa valmiina, mutta yleensä ne joudutaan mallintamaan itse. Tarvittavien osien ollessa koossa suoritetaan mallin kalibrointi joka, voidaan suunnitella hyvin pitkälle virtuaalisesti ennakkoon hyödyntäen kalibroitavan solun ja nivelvarsimittalaitteen malleja. Käyttöönottoprosessin kannalta tärkeä osa-alue on käytönopastuksen onnistuminen jolla etäohjelmoinnin käyttöön tarvittava tietotaito saadaan siirrettyä yrityksen henkilöille. Uusien työmenetelmien käyttöönotto vaatii onnistuakseen aina jossakin määrin myös asenteiden muokkausta, koska uutta ei voi luoda pitäytymällä jatkuvasti totutuissa toimintatavoissa.

8 3 ROBOTIIKAN KEHITYSNÄKYMIÄ 3.1 Robotisointiasteen kehittyminen Suomessa Suomen Robotiikkayhdistyksen julkaisemien tilastojen mukaan teollisuusrobottien määrän vuotuinen lisäys Suomessa on käynyt tällä vuosituhannella alhaisimmillaan vuonna 2002. Sen jälkeen vuotuinen lisäys on ollut tasaisessa kasvusuhdanteessa (kuvio 5). Robotiikkayhdistyksen mukaan erityisesti suomalainen elintarviketeollisuus on investoinut kappaleenkäsittelyyn ja pakkausrobotiikkaan. Samoin hitsaussovellukset ovat hyvässä kasvussa, joka kuvastaa konepajojemme hyvää tilauskantaa ja tulevaisuudenuskoa. (Suomen Robotiikkayhdistys, 2006.) KUVIO 5. Suomeen asennetut teollisuusrobotit kunkin vuoden loppuun mennessä. (Suomen Robotiikkayhdistys, 2006)

9 3.2 Robottien määrän kasvu maailmanlaajuisesti Kansainvälisen robotiikkayhdistysten liiton (IFR) julkaiseman tilaston mukaan Aasian, Australian, Euroopan ja Yhdysvaltojen teollisuusrobottien vuosittainen asennusten määrä noudattelee hyvin pitkälle samaa linjaan kuin Suomessakin (kuvio 6.) Tilastossa silmiinpistävää on se, että asennusten määrän kasvu on suurinta Aasiassa ja Australiassa, Euroopassa kasvu on käytännössä pysähtynyt vuoden 2002 tasolle. Aasia/Australia Eurooppa Yhdysvallat KUVIO 6. Arvioitu vuosittainen asennettujen teollisuusrobottien määrä. (IFR, 2006) 3.3 Robotiikan tulevaisuuden näkymiä Japanin robotiikkayhdistyksen (Japan Robotics Association) tekemän ennusteen mukaan henkilökohtaisen- ja palvelurobotiikan markkinat kasvavat rajusti lähitulevaisuudessa. Ennusteen mukaan teollisuusrobottien markkinat kasvavat myös, mutta huomattavasti maltillisemmin kuin henkilökohtaisen ja palvelurobotiikan sektorilla (kuvio 7). Luvut eivät sisällä halpoja sähköisiä leluja. Henkilökohtaisilla roboteilla tarkoitetaan robotteja joita kuluttajat hankkivat kotiinsa viihdyttäjäksi, kouluttajaksi tai avustajaksi. Henkilökohtaisten robottien kategoriaan kuuluvat esimerkiksi pölyimurirobotit ja robottikoirat. (Kara, 2007.)

10 Palvelurobotteihin lukeutuvat puoli- tai täysin autonomiset mobiilirobotit, jotka avustavat ihmistä. Sovelluskohteina ovat tehtävät, jotka vaativat suurta keskittymistä, ovat fyysisesti raskaita tai olosuhteiltaan ihmiselle vaarallisia. Tällaisia tehtäviä ovat esimerkiksi teollisuudessa puhdistus ja huoltotehtävät sekä erilaiset tutkimustehtävät niin maan kamaralla kuin avaruudessakin. (Kara, 2007.) Markkinaosuus ($ 1000) Kotirobotit Lääketieteellinen käyttö Julkinen sektori Bio-teollisuus Tuotantokäyttö Henkilökohtaisten ja palvelurobottien osuus Vuosi KUVIO 7. Robotiikan markkinaosuudet sektoreittain. (Kara, 2007) YK:n talouskomission (UNEC) ja kansainvälisen robotiikkayhdistysten liiton (IFR) tekemä ennuste antaa hyvin samansuuntaisia lukuja henkilökohtaisten ja palvelurobotiikan markkinoiden kehitysnäkymistä Japanin robotiikkayhdistyksen kanssa (kuvio 8). Markkinat (miljardia $) 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 51,70 17,10 5,40 0,60 2002 2005 2010 2025 Vuosi KUVIO 8. Henkilökohtaisen ja palvelurobotiikan markkinoiden kasvu. (Kara, 2007)

11 Vuonna 2006 nähtiin käsivarsirobotin rakenteessa pitkästä aikaa suurempi uudistus kun Motoman esitteli ensimmäisenä robottivalmistajana uuden yksivartisen seitsemän akselisen ja kaksivartisen 13 akselisen humanlike robottimallinsa DA10 ja DA 20 (kuvio 9). Valmistajan mukaan robottimallit ovat ideaalisia automaattiseen kokoonpano- ja käsittelytehtäviin. Robottimallit jäljittelevät kokonsa ja joustavuutensa puolesta ihmisen käsivartta ja ylävartaloa (Motoman Robotics Finland Oy, 2007). KUVIO 9. Uuden sukupolven teollisuusrobottimalleja. (Motoman Robotics Finland Oy, 2007)

12 4 TEOLLISUUSROBOTTIEN OHJELMOINTIMENETELMIÄ 4.1 Ohjelmointimenetelmien jakotapoja Alanderin ja Niemen mukaan robottien ohjelmointimenetelmät voidaan jakaa kahteen ryhmään: suoraan (eng. on-line) ja erillään (eng. off-line) ohjelmointiin. (Alander, Niemi, 1987.) Yhdysvaltalaisen työturvallisuutta ja terveyttä edistävän järjestön OSHA:n (Occupational Safety & Health Administration) tulkinnan mukaan robottien ohjelmointimenetelmät voidaan jakaa kolmeen eri tekniikkaan: opettamalla ohjelmointiin, johdattamalla ohjelmointiin ja etäohjelmointiin. Kuviossa 10 on esitetty edellä mainittujen ohjelmointimenetelmien lisäksi ohjelmoinnin sekamenetelmät ja tekstuaalinen ohjelmointi. Tässä työssä käsiteltyjen robottien ohjelmointimenetelmien lisäksi on olemassa useita menetelmiä, niiden alalajeja sekä muunnoksia ja yhdistelmiä. Ohjelmointimenetelmistä käydään muutamia läpi tarkemmin seuraavissa kappaleissa. Ohjelmoinnin sekamenetelmät On-line ohjelmointi Etäohjelmointi (off-line) Johdattamalla ohjelmointi Tekstuaalinen etäohjelmointi Opettamalla ohjelmointi Mallipohjainen etäohjelmointi Robottiohjelma KUVIO 10. Robotin ohjelmointimenetelmiä.

13 4.2 Sähkömekaanisten kytkentöjen avulla toteutettu ohjelmointi Ensimmäiset robottiohjelmat olivat toteutettu sähkömekaanisten kytkentöjen avulla, joilla nivelet saatiin ajamaan päin haluttuja rajakatkaisijoita vaihe kerrallaan. Ohjauksesta huolehti sähkömekaaninen logiikka. (Kuivanen, 1999.) 4.3 Johdattamalla ohjelmointi Johdattamalla ohjelmointi on varsinaisista ohjelmointimenetelmistä vanhin. Tästä menetelmässä toimilaitteista vapautettua robotin käsivartta liikuteltiin käsin haluttuihin asemiin. Robotin niveliin sijoitettujen paikka-antureiden lukemat tallennettiin instrumenttinauhurin avulla nauhalle josta ne saatiin toistettua robotilla. Johdattamalla ohjelmointia käytettiin hyvin yleisesti maalausrobottien ohjelmoinnissa. (Kuivanen, 1999.) Johdattamalla ohjelmoinnin hankaluutena on ollut ohjelmien vaikea korjattavuus, epätarkkuus ja helppokäyttöisen käyttöliittymän puuttuminen. Näihin ongelmakohtiin on kehitetty ratkaisuja uuden tekniikan antamien mahdollisuuksien myötä. Erityisesti robotin ja ihmisen liitynnän rajapintaan on haettu ohjelmointia helpottavia ratkaisuja. (Schraft, Meyer, 2006.) Robotin johdattaminen tapahtuu voima-anturin kautta robotin ollessa automaattimoodissa. Johdattamisen aikana robotille annetaan tarvittavat käskyt puheohjauksella (kuvio 11). Tällaisia käskyjä ovat esimerkiksi aloita tallennus tai nopeammin. Teollisuusympäristöön soveltuvalla kosketusnäytöllä varustetulla PDA-laitteella voidaan myös antaa robotille käskyjä, muokata nopeusarvoja ja saada 3D -visualisointia. (Schraft, Meyer, 2006.)

14 Voima-anturi Robotti Robotin ohjain Teollisuus PC Näppäimistö/hiiri /näyttö XML komentotulkki XML käskyt Puheohjaus PDA-laite KUVIO 11. Erilaisia laitteita integroituna ihmisen ja koneen rajapintaan. (Schraft, Meyer, 2006) 4.4 Opettamalla ohjelmointi Seuraavana kehittyi nykyisin yleisimmin käytössä oleva ohjelmointimenetelmä eli opettamalla ohjelmointi. Tässä menetelmässä robotin työkalu viedään haluttuun asemaan käsiohjaimen avulla, jonka jälkeen asema tallennetaan ohjelmamuistiin. Työkalun aseman ja asennon määrittelyn ohella ohjelmapisteelle määritellään tyypillisesti liikenopeus, liiketyyppi ja mahdolliset ulkoisten laitteiden ohjaamisen tarvittavat tiedot. (Kuivanen, 1999.) Edellä kuvatuille ohjelmointimenetelmille on yhteistä se, että niissä ohjelmointiin tarvitaan robottia eli puhutaan online -ohjelmoinnista. Näitä menetelmiä käytettäessä robotti ei tee ohjelmoinnin aikana tuottavaa työtä eli sen käyttösuhde laskee. Tästä syystä saattaa robotin käyttö tulla taloudellisesti kannattamattomaksi tehtäessä määrällisesti pieniä tuote-eriä. Opettamalla ohjelmoinnissa tarvittavaa robotin aikaa on pyritty vähentämään sillä, että käsiohjainta on kehitetty mahdollisimman helppo- ja nopeakäyttöiseksi erilaisten ohjelmallisten ratkaisujen avulla (Kuivanen, 1999). Tästä huolimatta varsinainen ohjelmointityö kuitenkin kuluttaa robotin työaikaa.

4.5 Etäohjelmointi 15 Tekstuaalisessa, eli tekstipohjaisessa etäohjelmoinnissa robottiohjelma kirjoitetaan tekstitiedostoina erillisellä tietokoneella mahdollisimman valmiiksi. Tämän jälkeen ohjelma siirretään robotille, testataan ja tarvittaessa korjataan robottia käyttäen. Tekstipohjainen etäohjelmointi on tehokas menetelmä sellaisissa tapauksissa, joissa työkappaleiden mitat muuttuvat, mutta piirteet säilyvät samanlaisina. Tällöin mittatiedot voidaan syöttää PC - ohjelmaan, joka laskee paikkarekisterimuuttujat. Näitä muuttujia voidaan puolestaan käyttää paikoitusparametreina, joiden avulla PC -ohjelma muodostaa robottiohjelman. (Hiltunen, 2007) Pyrittäessä käyttämään mahdollisimman vähän robotin aikaa ohjelmointiin on ratkaisuna robotin mallipohjainen ohjelmointi. Kokemukseni mukaan tätä menetelmää käyttämällä parhaimmassa tapauksessa robotin aikaa tarvitaan uuden ohjelman käyttöönottamisessa vain mallilla tehdyn ohjelman testiajon verran. Robotiikka-kirjassa määritellään mallipohjainen ohjelmointi seuraavasti: Robottien mallipohjainen ohjelmointi (off-line) tarkoittaa robotin ohjelmointia ilman tuotantorobottia, tuotannon ulkopuolisessa tietokoneessa käyttäen 3D graafista käyttöliittymää ja robotin ja sen oheislaitteiden simulointimalleja sekä hyödyntäen tuotteen suunnittelun 3D- muototietoa. (Kuivanen, 1999, 81). Opettamalla ohjelmoinnin yhtenä hyvänä puolena voidaan pitää sitä, että siinä ohjelmoija tekee luonnostaan valintoja ja ratkaisuja, joita etäohjelmoinnissa täytyy erikseen määritellä ja ratkaista. Tehtäessä robottiohjelmaa opettamalla ohjelmoija valitsee luonnostaan robotille sujuvat liikeradat ja asennot paikoituspisteissä. (Viklund, 1999.) Etäohjelmoinnissa sujuvan liikkeen aikaansaamiseksi täytyy ohjelmoijan määritellä useasti itse millä robotin nivelten arvojen yhdistelmällä kyseiseen paikoituspisteeseen halutaan mennä. Robotti voi saavuttaa ohjelmoidun paikoituspisteen usealla eri nivelten arvojen yhdistelmällä, joista ohjelmoijan tulee valita kulloinkin tilanteeseen sopiva yhdistelmä, näitä yhdistelmiä nimitetään käänteisen kinematiikan ratkaisuiksi. (Viklund, 1999.)

16 Käänteinen kinematiikka tarkoittaa robotin mekanismista johtuvia yhtälöitä, joiden avulla paikoituspisteen arvoista voidaan laskea robotille nivelarvot, joilla sen työkalupiste asettuu ohjelmoituun pisteeseen. Suora kinematiikka tarkoittaa puolestaan yhtälöitä, joiden avulla nivel- ja työkalupisteen arvoista voidaan laskea työkalupisteen asema ja asento robotin kannan koordinaatistossa. (Viklund, 1999.) Etäohjelmoitavan robottisolun laitteet robotti mukaan lukien mallinnetaan luonnollisiin mittoihinsa. Varsinainen robotin simulointimalli sisältää näkyvän geometrian lisäksi useita eri komponentteja (kuvio 12). Kinematiikkaan kuuluvat paikoituspisteiden aseman ja asennon lisäksi nivelarvot toisiinsa liittävät laskusäännöt. Robotin simulointimallin liikuttamisesta huolehtii ohjaimen malli, joka jäljittelee todellisen robotin ohjaimen toimintaa. Etäohjelmointimallissa robotin ohjelma on yleiskielistä koodia, joka ei sellaisenaan sovellu millekään todelliselle robottiohjaimelle. Tästä syystä robotille menevä ohjelma täytyy kääntää ohjainkohtaista kääntäjää käyttäen simuloinnin jälkeen. Robotin malliin olisi mahdollista liittää dynaamisia ominaisuuksia, mutta niitä ei yleensä käytetä etäohjelmoinnissa niiden vaikean mittaamisen ja mallintamisen vuoksi. (Viklund, 1999.) KUVIO 12. Robotin simulointimalli sisältää näkyvän geometrian lisäksi useita eri komponentteja. (Viklund, 1999) Etäohjelmointi on yleensä suunnittelun ja tuotannon välissä oleva toiminto. Tänä päivänä on hyvin yleistä, että yritykset muodostavat verkostoja joissa kukin vastaa jostakin tietystä tuotteen valmistusvaiheesta esimerkiksi suunnittelusta, osavalmistuksesta tai kokoonpanosta. Suunnitteluvaiheesta saatavia tuotteen CAD -malleja voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi robottien graafisessa etäohjelmoinnissa. Näin aikaansaatu

robottiohjelma voidaan siirtää vaikkapa verkkoyhteyttä käyttäen suoraan robotin ohjaimen muistiin (kuvio 13). (Viklund, 1999.) 17 KUVIO 13. Etäohjelmointi osana yrityksen tai yritysverkoston toimintaa. (Viklund, 1999) Suunnittelutiedon tehokas hyödyntäminen koko tuotantoprosessin ajan edellyttää, että tuotteen valmistukseen tarvittavia tietoja voidaan siirtää sujuvasti sähköisessä muodossa. Sähköinen tuotanto eli digitaalinen tuotanto (Digital Manufacturing, DIM) on yksi keino pyrittäessä kohti optimaalista tuotantoprosessien kehittämistä. Digitaaliseen tuotantoon kuuluu ohjelmisto- ja tuotantomenetelmiä, joiden avulla voidaan yhdistää tuotantoprosessin suunnittelua, simulointia ja tuotannonohjausta ja käyttää hyödyksi eri vaiheissa tuotettua informaatiota (kuvio 14). Nämä eri vaiheet voivat olla kaikki yhden yrityksen sisällä tai hajautettu useiden yritysten muodostamaan verkostoon. (Pieskä, 2006b.)

18 KUVIO 14. Sähköiseen tuotantoon liittyviä osa-alueita. ( Pieskä, 2006b) Kokemukseni mukaan digitaalisen tuotannon kompastuskiviksi voivat muodostua ohjelmistojen yhteensopivuusongelmat, toisinsanoen käytettävät ohjelmistot eivät tue haluttua tiedonsiirtomuotoa. Varsinkin CAD -ohjelmistoissa tiedostoja siirrettäessä ohjelmistosta toiseen on tiedostomuotojen ja -versioiden kirjo valtava. Tästä syystä ohjelmiston hankintavaiheessa tulee kiinnittää erityistä huomiota ohjelmiston tukemiin tiedostojen sisään luku- ja tallennusmuotoihin. Digitaalinen tuotanto on myös keskeinen osa tuotteen elinikäistä hallintaa. 4.6 Ohjelmointimenetelmien yhdistelmät Käytettäessä eri ohjelmointimenetelmien yhdistelmiä puhutaan sekamenetelmästä (kuvio 15). Etäohjelmoinnilla tehty robottiohjelma joudutaan ensimmäisellä kerralla yleensä ajamaan läpi robotilla piste kerrallaan. Samalla ohjelmaa voidaan tarvittaessa hienosäätää ja korjata mahdolliset virheet. (Moilanen, 2003.)